《德国应化》：利用紫外光诱导聚合实现PDMS膜的超快速连续化制备

来源：两江科技评论

原标题：北京化工大学谭天伟院士、秦培勇教授团队《德国应化》：利用紫外光诱导聚合实现PDMS膜的超快速连续化制备

由于全球变暖和石油供应的隐患，以及能源安全问题，使得人们对可再生生物质能源的关注和研究日益增加。生物丁醇被认为是最具代表性和有效的化石能源替代品，因为相比于乙醇，丁醇的热值更高、稳定性更强、能与汽油以任意比混合。通过生物发酵法高效生产生物丁醇的关键在于下游渗透汽化工艺，该工艺往往需要大量高性能渗透汽化膜。聚二甲基硅氧烷（PDMS）膜具有较高的稳定性和选择性，是当前使用最广的渗透汽化膜。然而，使用传统的热交联方法大规模工业化制备PDMS膜目前仍是非常困难的，主要存在以下限制发展的三个关键问题：（1）固化速度极慢。传统的热交联过程往往超过180min，使得铸膜液在涂布后无法快速固化，从而导致无法连续收卷；（2）交联反应不可控。铸膜液在加入催化剂后，粘度会一直增加甚至形成凝胶，无法保证铸膜液在料液槽内的流动性，阻碍连续涂布操作；（3）高污染。通常使用大量有机溶剂溶解聚合物材料，不仅增加了操作难度和生产成本，而且危害工作人员和环境。此外，高性能有机-无机混合基质膜（MMM）的发展面临的最大瓶颈问题是无机多孔颗粒在聚合物选择层的团聚，从而导致负载量较低（通常低于30%）。

图1. PDMS膜连续化制备过程示意图。（a）热交联法，（b）紫外光诱导交联法。

针对以上问题，北京化工大学谭天伟院士和秦培勇教授等人首次使用紫外光诱导聚合，同时解决了以上三个关键问题，在开放环境条件下即可实现PDMS膜的超快速、连续化制备。研究人员首先采用绿色水溶剂法通过硅烷偶联剂KH571对羟基封端的PDMS进行功能化修饰，使其共价修饰上光敏基团（C=C），保持一个线性状态。然后，通过紫外光辐照诱导聚合反应开始。在紫外辐照下，聚合反应可在30s内完成，实现秒级固化，其固化速率较传统热交联方法提高了三个数量级。有趣的是，超快速固化展示出一种“冻结效应”，可将无机颗粒均匀锁定在聚合物选择层。该方法极大限度降低了颗粒团聚程度，并制备出高负载量（45%）的混合基质膜。该方法为不同聚合物膜和有机-无机混合基质膜的连续化制备开辟了新途径。

图2.（a）MA-PDMS膜表面照片，（b）MA-PDMS膜表面的扫描电子显微镜图，（c）silicalite-1/CT-PDMS膜表面的扫描电子显微镜图，（d）silicalite-1/MA-PDMS膜表面的扫描电子显微镜图。

相关文章在线发表在国际顶级学术期刊Angew. Chem. Int. Ed.（DOI：10.1002/anie.201908386）上。该课题得到了国家重点研发计划（2018YFB1501703），国家自然科学基金（21978016, 21676014， 21706008）和北京市自然科学基金（2172041）的资助与支持。

文献链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201908386